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摘要：通过对某变电站一起主变差动速断保护区外故障误动事故的分析,得出主变差动保护10kV电流互感器选型不当是差动保护误动的主要原因。分析了电流互感器正确选型和设计对于主变差动保护选择性能的重要性。在此基础上提出了防止主变差动保护区外故障误动的几点对策。
关键词：变压器差动保护P级电流互感器TA饱和
1.引言
差动保护因其快速动作性及良好的选择性被广泛应用于变压器保护中。在区外故障时差动保护的选择性首先取决于电流互感器对短路电流的正确传变,在电流互感器的传变足够精确的基础上再辅以继电保护装置的优良特性才能保证动作的选择性。若在差动保护的应用中忽视电流互感器型号及二次负载的正确选择,在区外故障出现较大短路电流时将可能出现因电流互感器传变误差大而产生较大的差动不平衡电流,导致差动保护误动。
本文针对某变电站一起主变差动速断保护区外故障误动事故,分析并论证了主变10kV侧差动保护用电流互感器的选型不当是事故发生的主要原因。
2.主变差动保护区外故障误动事故
某110kV变电站采用内桥接线方式。110kVA线与110kVB线互为明备用,正常运行时由A线对两台主变供电。2台主变容量均为40MVA。主变保护由差动保护、后备保护和本体保护组成。主变差动保护包括差动速断保护元件和比率差动保护元件。
2018年6月11日7点35分,某110kV变电站内10kV#1站用变内部故障,引起10kVI段母线三相短路。按10kV母线分段运行方式及保护设计原理,本应#1主变低后备保护动作,延时跳开主变各侧开关。但现场#1主变差动速断保护动作,瞬时跳开主变高、低压侧开关切除故障,全站停电。故障切除后110kVB线#141开关备自投成功动作,#2主变恢复运行。
该变电站此次故障为主变低压侧10kVI段母线三相短路。根据保护的选择性,当发生区外故障情况时,主变差动速断保护不应动作。
3.主变差动速断保护误动原因分析
故障发生后,工作人员检查了该变电站#1主变差动保护二次回路,并对电流互感器特性进行了试验,确认差动保护装置接线正确,电流互感器变比、极性正确。
该变电站#1、#2主变10kV侧总路开关TA变比为2500/5,保护组TA准确级为10P级,额定容量为15VA。根据电流互感器特性试验数据,发现主变10kV侧总路开关TA伏安特性曲线仅115伏左右就已饱和,而C相TA仅100伏左右就已饱和。参考本局另一变同规格、同变比的TA特性,其伏安特性曲线在160多伏才饱和,相比较该变电站主变10kV总路TA伏安特性饱和曲线比其低30%左右。而且该变电站主变10kV总路开关保护组TA额定容量也偏低,仅为15VA,而主变110kV总路开关保护组TA额定容量为40VA。
工作人员在调取本次故障发生时刻的录波记录信息后还发现:#1主变110kV侧三相短路电流分别为A相1116A、B相1269A、C相1355A;10kV侧三相短路电流分别为A相6966A、B相9324A、C相6914A。但理论上以#1主变110kV高压侧短路电流为基准,折算到10kV低压侧三相短路电流应分别为A相11691A、B相13294B、C相14195A。显然因主变10kV低压侧TA伏安特性饱和曲线偏低,在发生10kV母线三相故障时,由于短路电流较大,TA发生饱和,导致传递至二次侧的短路电流严重偏小。而且由于主变高低侧TA规格型号与额定容量均不相同,在发生区外故障时两侧TA传变误差特性存在差异,产生了很大的差动不平衡电流,此电流甚至大于主变差动速断保护电流定值,导致主变差动速断保护误动作。而由于故障为区外故障,制动电流很大,由于制动特性的制动作用,比率差动保护未发生误动。
根据以上试验和录波数据分析可确定该110kV变电站#1主变差动速断保护在区外故障时不正确动作的原因是:当10kV母线三相短路时,由于故障电流很大而引起主变低压侧TA深度饱和,不能正确、真实的反映短路电流,产生了较大的差动不平衡电流,造成#2主变差动速断保护误动作。
4.P级TA选型对主变差动保护性能影响
电流互感器是主变差动保护的重要组成部分,其传变误差特性将直接影响保护的性能。电流互感器的传变误差是由其励磁电流造成的。
考虑到经济性和安装空间的限制,目前中低压保护中普遍使用P级电流互感器。P级电流互感器在铭牌上标有技术规格。如该110kV变电站的主变10kV总路开关电流互感器型号为15VA10P10,表示在二次输出为15VA,一次稳态电流为10倍额定电流(即额定准确限值的一次电流)时互感器最大复合误差不超过10%。一般P级TA的准确级为5P和10P两级,额定准确限值的一次电流与额定一次电流值的比值称为准确限值系数。需要注意的是P级电流互感器的准确级都是对稳态电流而言的,复合误差实际为TA的稳态误差。在发生区外故障时,短路电流中含有很大的非周期分量,使得P级电流互感器在故障暂态过程中的传变误差远大于稳态误差。对于主变差动保护,其定值的整定计算中通常只考虑TA的稳态误差,尽管也引入非周期分量系数,但此系数一般都选取较小的数值。在区外故障时,对于主变差动保护这类快速保护,将可能因电流互感器的暂态传变误差大而导致差动保护的误动作。因此在P级TA设计选型时可考虑通过采用适当增大互感器一次额定电流,减小短路电流的倍数;增大互感器二次额定容量;均衡的减小TA二次负载等方法给TA“扩容”。
对于差动保护,其不平衡电流取决于构成差动电流的各侧电流互感器的相对传变误差而不是绝对误差。因此在选择电流互感器时,应尽可能保证各侧电流互感器的准确级、准确限值系数、二次额定负载及实际二次回路负载均相等,以减少差动不平衡电流,保证差动保护的选择性。但对于主变差动保护,主变各侧电流互感器的型号、变比一般相差较大,可按照各侧TA磁化特性曲线、误差特性曲线进行二次负载的匹配,可以大大降低差动不平衡电流。
5.防止主变差动保护区外故障不正确动作的措施
针对以上分析,对该变电站主变差动保护提出以下改进措施:
1)更换站内#1、#2主变10kV侧总路开关保护组TA:更换后的TA变比由2500/5增大为3000/5,额定容量由15伏安增大为30伏安;CT伏安饱和特性曲线比原先增高一倍,原饱和电压为100-120伏,更换后饱和电压增加至200-240伏。
2)适当调增差动速断保护的动作定值,建议由原10.5A增大为15A左右,可适当降低差动速断保护的灵敏度,但可有效防止主变区外故障时差动速断保护误动。
3)可考虑在差动保护中增加抗TA饱和措施,如谐波闭锁判据、TA饱和同步检测法等。抗TA饱和措施的性能与P级TA的误差特性、差动保护算法、数字滤波算法等都密切相关,还需要保护装置厂家做进一步研究及试验论证。
6.结语
电流互感器是继电保护的重要组成部分,是继电保护装置正确动作的基础。因此电流互感器的正确选型至关重要。在该变电站发生主变差动保护区外故障误动事故后,现场根据多次试验数据及理论分析验证了已采用的电流互感器误差特性的不足,并及时更换了保护用电流互感器,至今主变差动保护运行状况良好。
参考文献：
[1]朱声石.差动保护采用P级电流互感器的问题.继电器,2018,28(7):4～7.
[2]朱声石.高压电网继电保护原理与技术(第三版).北京:中国电力出版社,2015.